Bild: F. Spagnoli/ MDC

Autophagie

Die Zelle als Recyclinganlage

Ob gelber Sack, Biotonne oder Glascontainer – bei der Entsorgung unseres Mülls sind wir Menschen erfinderisch. Doch auch unsere Körperzellen nutzen ein Wiederverwertungsprinzip, die „Autophagie“. Ein Unterschied: Für die Zellen geht es dabei um Leben oder Tod.

In Deutschland produzieren wir täglich tonnenweise Müll. Ein Großteil landet im Recyclingkreislauf: Ungekochte Gemüsereste werden zu Kompost, Zeitungen zu Toilettenpapier und aus Plastikflaschen entsteht vielleicht ein Stuhl. Doch nicht nur Hausmüll wird auf diese Weise wiederverwertet. Auch unsere Zellen recyceln ihren Abfall, und zwar mit Hilfe der Autophagie (aus dem griechischen „sich selbst essen“). Durch diesen Prozess werden fortwährend alte und verbrauchte Zellbestandteile entsorgt. Dazu gehören Teile des Zellkerns, aber auch Mitochondrien. Diese „Kraftwerke“ unserer Zellen leben nur wenige Tage. Sind sie defekt und werden nicht beseitigt, können schädliche Abfallprodukte entstehen. Selbst größere Proteinklumpen und fehlerhafte Transporteiweiße sind Ziel der Autophagie.

Im Inneren der Zelle werden die ausgemusterten Bestandteile zunächst im sogenannten Autophagosom eingeschlossen. Einem Müllsack gleich transportiert es den Unrat zu einem weiteren sackähnlichen Vesikel, mit dem es schließlich fusioniert. Dieses Lysosom enthält Verdauungsenzyme, die den Inhalt der Autophagosomen in seine Grundbausteine zerlegen. Danach werden diese der Wiederverwertung zugeführt. In unserer angeborenen Recyclinganlage geht also nichts verloren.

Doch auf welchen Mechanismen basiert dieser Prozess? Das fand der Wissenschaftler Yoshinori Ohsumi in den frühen 90er-Jahren mit Hilfe von einfacher Bierhefe heraus. Er veränderte in zahlreichen Experimenten das Erbgut der einzelligen Pilze und fand eine Vielzahl von Steuerungs-Genen, die für den Recyclingkreislauf in der Zelle verantwortlich sind. Im Jahr 2016 erhielt der Japaner dafür den Nobelpreis für Physiologie oder Medizin.

Ohne Autophagie können sowohl menschliche Körperzellen als auch Pflanzenzellen nicht überleben: Durch sie bleiben alte und neue Bestandteile im Gleichgewicht. Sie ist an vielen physiologischen Prozessen wie der embryonalen Entwicklung und Zelldifferenzierung beteiligt. Außerdem spart der Körper durch das Recycling Ressourcen und Energie. „In bestimmten Situationen ist die Autophagie ein wichtiger Abwehrmechanismus, etwa bei Infektionen“, sagt Andrea Scrima, Leiter der Nachwuchsgruppe Strukturbiologie der Autophagie am Helmholtz-Zentrum für Infektionsforschung in Braunschweig. Eingedrungene Krankheitserreger wie Bakterien und Viren werden mittels Autophagie entsorgt.

„Es gibt aber auch Keime wie das Ruhr-Bakterium, die sich verstecken, und die daher von den Rezeptoren der Zelle nicht erkannt werden“, sagt Scrima. Ein anderes Beispiel sind Influenza-A Viren. „Die Erreger der Virusgrippe entgehen dem Abbau aktiv. Sie programmieren das System sogar um und nutzen es aus, um neue Viruspartikel zu bilden.“ Der Biochemiker konzentriert sich mit seinem Team vor allem auf die Frage, wie sich diese Strategien unterbinden lassen. Oder genauer: Wie man die Autophagie gezielt an- und ausschalten kann. „Dazu müssen wir allerdings noch viel besser verstehen, wie die einzelnen Schritte zusammenhängen. Und an welchen Schrauben wir drehen, etwa für die Entwicklung von spezifischen Medikamenten oder Therapien“, sagt Scrima.

Es scheint, dass ein fehlerhafter Abbauprozess außerdem zu Krankheiten wie Parkinson, Alzheimer oder Typ-2-Diabetes führen kann. Auch bei der Entstehung von Krebserkrankungen spielt Autophagie eine Rolle: „Im Tiermodell gibt es erste Indizien dafür, dass Autophagie die Entstehung eines Tumors unterdrückt“, sagt Franco Fortunato von der Universitätsklinik Heidelberg in der Sektion Chirurgische Forschung. Doch für die Bildung von Metastasen könnte das Zellrecycling eher förderlich sein. Bei einer bestimmten Form des Bauchspeicheldrüsenkrebses bewirkt der Prozess vermutlich sogar, dass die Tumorzellen eine Chemotherapie überleben. Denn diese bedeutet für die Zellen Stress. Dem versuchen sie entgegenzuwirken, indem sie die Autophagie verstärken. „In diesem Fall versuchen wir daher, die Fusion mit den Lysosomen und damit auch das Recycling der Krebszellen zu unterbinden“, sagt Fortunato. Dazu wird die klassische Chemotherapie mit einem entsprechenden Medikament kombiniert. Das Verfahren sei derzeit aber noch in der Entwicklungsphase.

Die Behandlung sei freilich nicht ohne weiteres auf andere Krebserkrankungen übertragbar, so der Biologe. "Denn nicht alle Tumore sind gleich, jeder hat eine andere Biologie“, sagt er. Daher wirkt sich die Autophagie bei jedem Tumor anders aus. „Wenn wir den Prozess besser verstehen, lässt sich die Therapie in Zukunft vielleicht effektiver an den jeweiligen Tumor anpassen. Damit könnten wir günstigere Prognosen bei der Behandlung erzielen“. Unsere angeborene Recyclinganlage birgt also noch einige Rätsel. Sie zu entschlüsseln, wird Gegenstand künftiger Forschungen sein.

28.11.2016 , Kerstin Beckert

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